Как преобразуется механическая энергия в электрическую

Преобразование механической энергии в электрическую

Абсолютно любое направления использования электрической энергии заключается в ее преобразовании в другие необходимые для нас виды энергии. И вся привлекательность использования именно электрической энергии заключается в удобстве, эффективности ее преобразования. Так мы можем получить из электрической энергии механическую, световую, тепловую и другие виды энергии, без каких-либо усилий и с максимальной эффективностью. Так же мы можем преобразовывать энергию света, тепла, ветра, в электрическую энергию, но уже предварительно преобразовав их в механическую энергию. Таким образом можно понять, что в большинстве случаев электрическую энергию получают из механической.
Для более точного понимания физического смысла этого явления предлагаю провести следующий опыт.

Преобразование механической энергии в электрическую.

Возьмем дугообразный магнит, между его полюсами расположим проводник, например, отрезок медной проволоки, при этом к концам этой проволоки подключим гальванометр (прибор, способный обнаружить электрический ток). Если мы переместим медную проволоку относительно магнита, то можно заметить, что в момент перемещения проволоки стрелка гальванометра отклонилась, как только прекратим движение проволоки стрелка прибора вернется в исходное положение. Также если вместо проволоки перемещать магнит, то эффект будит тоже. Если перемещать не проводник, а сам магнит относительно проводника, то в этой цепи также наводится ЭДС. Даже если перемещать проводник и магнит одновременно, но на встречу друг другу или в одном направлении, в проводнике и при этом случаи будит наводиться ЭДС.
Дело в том, что между полюсами магнита, где располагается проводник, проходят невидимые линии магнитной индукции, количество этих линий, пронизывающих этот проводник, называется магнитным потоком. Стоит отметить, что в проводнике ЭДС будит индуцироваться только при изменении магнитного потока.
Отклонение стрелки гальванометра (протекание тока в проводнике) объясняется явлением электромагнитной индукции, которое заключается в том, что при пересечении проводника линиями магнитной индукции, на концах этого проводника возникает (индуцируется) электродвижущая сила ЭДС, другими словами на концах наводится напряжение. И если мы к этому проводнику подключим, например, лампочку, то она в момент перемещения проводника будит загораться, то есть по получившейся цепи будит протекать электрический ток.
Явление магнитной индукции было открыто в 1831 году Майклом Фарадеем. Он провел аналогичный опыт, при котором опускал в катушку постоянный магнит, катушка была подключена к гальванометру, который в момент движения магнита фиксировал протекание тока.
Стоит учитывать, что основными условиями протекания тока по проводнику, является наличие замкнутой цепи и изменение количества пересекаемых линий магнитной индукции, то есть движение проводника относительно магнитного поля или магнитного поля относительно проводника.
На явлении магнитной индукции основывается работа большинства электрических машин, таких как трансформаторы, асинхронные двигатели, синхронные генераторы и так далее.
На всех современных электрических станциях, в настоящее время, для преобразования механической энергии в электрическую, применяются синхронные генераторы. В них проводник остается неподвижным и находится на статоре, а вот магнитное поле, создаваемое электромагнитами, состоящие из катушек постоянного тока располагаются на якоре машины. При вращении якоря, магнитный поток, пронизывающий обмотки статора, индуцирует в ней переменное напряжении частотой прямо зависящей от частоты вращения якоря.
Так же в электроэнергетике существуют множество других генераторов (преобразователей электрической энергии), такие как: асинхронные электрогенераторы, генераторы постоянного тока, но они мало используются. И в большинстве случаев устанавливается в местах где они действительно необходимы и называются специализированными.

Как преобразуется механическая энергия в электрическую

Функция любого электрического генератора — вырабатывать электрический ток. Но на самом деле генератор ничего не производит, а лишь преобразует один вид энергии — в другой (как это и свойственно всем энергетическим процессам в природе). Чаще всего, произнося словосочетание «электрический генератор», имеют ввиду машину, преобразующую механическую энергию — в электрическую.

Механическая энергия может быть получена от расширяющегося под давлением газа или пара, от падающей воды или даже вручную. В любом случае для получения от генератора электрической энергии, ему необходимо сначала передать эту энергию в приемлемой форме, чаще всего в механической.

Генераторы, работающие посредством механического привода, — доминирующий вид генераторов в современном мире. Такие генераторы работают на атомных и гидроэлектростанциях, в автомобилях, в дизельных и бензиновых генераторах, на ветряках, в ручных динамо-машинах и т. д. Пар, бензин, ветер — служат источниками механической энергии, вращающей ротор генератора.

Пример работы простого электрогенератора:

На роторе генератора закреплена обмотка намагничивания или постоянные магниты. В последние годы широкое распространение получают генераторы с неодимовыми магнитами на роторе, так как современные неодимовые магниты не уступают по своим характеристикам мощной обмотке намагничивания.

Принцип выработки электрической энергии в генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменяющийся в пространстве магнитный поток индуцирует вокруг этого пространства электрическое поле.

И если в область где присутствует это индуцированное электрическое поле поместить проводник, то в нем наведется (будет индуцирована) ЭДС — электродвижущая сила, и между концами проводника можно будет наблюдать (измерить, использовать для питания нагрузки) соответствующее напряжение.

Изменяющийся магнитный поток получается в генераторе при помощи движущихся вместе с ротором магнитов или полюсных наконечников, намагничиваемых специальными обмотками — обмотками намагничивания. Обмотки намагничивания обычно получают питание через щетки и контактные кольца.

Применение генератора для электрификации модели железной дороги:

Провода, в которых наводится ЭДС (электрическое напряжение) в генераторе, представляют собой обмотку статора, расположенную, как правило, в магнитопроводе, закрепленном на неподвижной части электрической машины. Эта обмотка у генераторов разного типа может быть выполнена различным образом.

В трехфазных генераторах переменного тока приняты обмотки статора, изготовленные по трехфазной схеме, — три части такой трехфазной обмотки могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Соединение звездой позволяет получить от генератора напряжение большей величины, чем при соединении треугольником. Разница в напряжениях составит корень из 3 раз (около 1,73). Чем больше напряжение — тем меньше максимальный ток, который можно получить от данного генератора на нагрузке.

Работа электрического генератора на электростанции:

Номинальная мощность генератора зависит от нескольких факторов, которые определяют его номинальные ток и напряжение. Напряжение на выходных клеммах генератора зависит от длины обмотки (провода) статора, от скорости вращения ротора и от индукции магнитного поля на его полюсах. Чем эти параметры больше — тем большее напряжение получается с генератора на холостом ходу и под нагрузкой.

Портативный генератор (мини-электростанция) для автономного электроснабжения:

Максимальный ток, который можно получить от генератора, теоретически ограничен его током короткого замыкания. Практически при номинальных оборотах он зависит от толщины провода обмотки статора и от общего магнитного потока ротора.

Если магнитного потока не достаточно, в некоторых случаях прибегают к увеличению оборотов. Но тогда генератор обязательно должен быть оснащен автоматическим регулятором напряжения, как это реализовано в автомобильных генераторах, которые способны выдавать приемлемый для зарядки аккумулятора ток в широком диапазоне оборотов.

Ранее ЭлектроВести писали, что создан генератор энергии, работающий на смене пресной и морской воды.

Преобразование энергии в электрических машинах.

Электромеханическое преобразование энергии сопровождается обязательным преобразованием электрической или механической энергии в тепловую. Преобразование энергии в тепло в электрических машинах принято называть потерями, так как тепловая энергия при эксплуатации электрических машин, как правило, не используется в практических целях. В электрических машинах большой мощности в тепло преобразуются единицы или даже доли процентов энергии, подводимой к электрическим выводам или валу машины. В машинах малой мощности в тепло может преобразовываться большая часть энергии, подводимой к машине, поэтому КПД машин малой мощности небольшой.

Рис. 1.6. Электрическая машина как шести-полюсник

Для общего представления о работе машины как преобразователя энергии ее можно представить в виде шестиполюсника (рис. 1.6), у которого есть два электрических вывода U, I, два механических вывода М, п и два тепловых Q, t. Электрические выводы связаны с электрической мощностью и характеризуются напряжением U и током I; механические связаны с механической мощностью и характеризуются моментом на валу машины М и частотой ее вращения п; тепловые выводы связаны с потерями энергии, возникающими в процессе преобразования, и характеризуются количеством выделенного тепла Q и температурой частей электрической машины t. Внутреннее сопротивление машины в самом общем случае можно охарактеризовать сопротивлением

Работа электрической машины может происходить в двух основных режимах: установившемся и динамическом, или переходном. В установившемся режиме все входные величины на выводах шестиполюсника, представляющего электрическую машину, и сопротивления самой машины неизменны во времени. В динамическом режиме обязательно изменяются одна, несколько или все входные величины и параметры машины. В связи с этим анализ работы машины в динамических режимах значительно более сложен, чем в установившихся.

При работе электрической машины генератором механическая энергия подводится к валу, т. е. к механическим выводам М, и (рис. 1.6), а электрическая энергия снимается с выводов U, I. При работе двигателем энергия подается на электрические выводы, а снимается с механических. Помимо двигательного или генераторного режима электрические машины могут работать также в тормозном и трансформаторном режимах.

Трансформаторный режим характерен для асинхронных машин с фазными

роторами. Он возникает при заторможенном (неподвижном) роторе и включении обмотки статора в сеть. Преобразования электрической энергии в механическую в этом режиме не происходит, так как частота вращения ротора равна нулю. Электрическая энергия, подводимая к статору, преобразуется в электрическую энергию, которая снимается с вы- 1 водов роторной обмотки. В этом случае механические выводы рассматриваемого шестиполюсника должны быть заменены на электрические.

Специально рассчитанные асинхронные машины могут длительное время работать в трансформаторном режиме. При различных положениях фазного ротора такой машины оси фаз обмотки ротора изменяют свое положение относительно обмотки статора, что вызывает изменение амплитуды и фазы напряжения на обмотке ротора. Этот принцип регулирования используется в индукционных регуляторах и фазорегуляторах, получивших распространение в различных схемах регулирования, например в испытательных установках большой мощности.

В тормозном режиме направление вращения ротора обратно направлению вращения поля. При этом машина потребляет как электрическую энергию со стороны электрических выводов, так и механическую энергию со стороны механических выводов шестиполюсника (рис. 1.6). Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую и расходуется внутри машины на нагрев ее частей, а также рассеивается в окружающую среду. Тормозные режимы — самые тяжелые с точки зрения нагрева частей электрической машины, поэтому большинство электрических машин рассчитано лишь на кратковременную работу в тормозных режимах.

Различают два вида электрического торможения: динамическое и рекуперативное. При динамическом торможении, применяемом, например, в двигателях постоянного тока, якорь машины отключается от сети и включается на резистор при оставшейся включенной обмотке возбуждения. Машина работает как генератор постоянного тока, потребляя механическую энергию вращающихся частей и генерируя электрическую энергию, которая расходуется на нагрев включенного резистора.

При рекуперативном торможении двигатель также переходит в генераторный режим и генерируемая энергия отдается в сеть. Рекуперативное торможение характерно для асинхронных двигателей, например для двигателей приводов лифтов, в которых путем переключения во время работы машины статорной обмотки на большее число полюсов уменьшается частота вращения поля. Ротор по инерции некоторое время продолжает вращаться с прежней частотой, большей, чем частота вращения поля после переключения числа полюсов обмотки. В это время машина работает в генераторном режиме и отдает электрическую энергию в сеть, потребляя кинетическую энергию движущихся частей приводного механизма. При замедлении частоты вращения ротора до частоты ниже синхронной машина опять переходит в двигательный режим и работает с частотой вращения, соответствующей новому числу полюсов обмотки статора.

Для синхронных машин важным является режим синхронного компенсатора, при котором активная электрическая мощность, получаемая из сети, расходуется только на потери внутри машины, а синхронная машина генерирует или потребляет из сети реактивную мощность. В компенсаторном режиме могут работать все синхронные машины, однако для практического использования производят специальный тип машин — синхронные компенсаторы, в которых генерирование или потребление реактивной мощности происходит с наименьшими потерями активной энергии.

По характеру нагрузки и частоте вращения ротора различают также режимы нагрузки, холостого хода и короткого замыкания машины. Термины и определения, относящиеся к режиму нагрузки, в том числе номинальной, даны в § 1.5.

При холостом ходе нагрузка на валу в двигательном режиме или электрическая мощность на выводах в генераторном режиме равна нулю. В режиме, близком к холостому ходу, работают многие электрические машины, в том числе и целый класс индикаторных машин, к которым относятся тахогенераторы, вращающиеся трансформаторы, сельсины и т. п.

В режиме короткого замыкания генераторов сопротивление нагрузки равно нулю. В режиме короткого замыкания двигателей равна нулю частота вращения. Режим короткого замыкания характерен для начального момента пуска двигателя из неподвижного состояния. При включении обмотки статора на номинальное напряжение ток двигателя достигает больших значений, поэтому длительный режим короткого замыкания опасен для машин, не рассчитанных на работу при таких условиях. Короткое замыкание двигателей и генераторов, проводимое при пониженном напряжении, используется

при испытаниях электрических машин для опытного определения ряда их параметров.

Электрические машины

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

• генераторы — источники электрической энергии;
• электродвигатели — источники механической энергии;
• специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением

Области применения электрических машин

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10 -17 — 10 9 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

• где F – сила, Н,
• I – сила тока, А,
• – длина проводника, м,
• B — магнитная индукция, Тл,
• — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

,

• где E – напряженность электрического поля, В/м,
• ds – элемент контура, м,
• Ф — магнитный поток, Вб,
• t — время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

,

• где – электродвижущая сила индукции, В

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающиеся электрические машины

Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].

Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.

Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.

Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.

Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.

Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.

Преобразование механической энергии в электрическую

Впервые Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта в своих работах научились преобразовывать химическую энергию в электрическую в конце 18 века. И хотя энергетически это не сильно обогатило человечество — результатами изобретенных ими батареек мы пользуемся с большой благодарностью. Гениальное открытие Майкла Фарадея о возможности преобразования механической энергии в электрическую -резко изменило качество всей жизни на Земле. Когда Фарадей на заседании Лондонского научного общества докладывал о своем изобретении, Лорды не совсем поняли пользу этого новшества. На что Фарадей и сам сказал, что пока не знает как этим распорядиться, Но заметил, что в следующем веке правительство с этого открытия будет снимать очень большие налоги.

Мы построили модели Фарадея для постоянного и переменного тока. Их отличие, что в генераторе постоянного тока магниты неподвижны, а вращается катушка с проводником, а в генераторе переменного тока катушка неподвижна, а вращаются магниты.. Сейчас даже не надо собирать модель. На AliExpress есть недорогие модели таких генераторов, Хотя там и приводятся графики нарастания и убывания электрического тока, но физика процесса не объяснена.

Вот на это нам бы и хотелось обратить Ваше внимание. Как такогого тока никто не видел. Мы только видим результаты его воздействия, и только с открытием Периодического Закона Д.И. Менделеева сложилась картина , объясняющая физическую сущность фарадеевского открытия. Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы. Например, металлы в отличии от диэлектриков легко

расстаются с электронами, находящимися на верхних орбитах своих атомов под воздействием разности потенциалов, находящихся на концах проводника. Прохождение электрического тока порождает магнитное поле.

Эти два явления неразрывно связаны и не существуют друг без друга. Появление одного одновременно порождает другое. Это явление используется в производстве, когда сильными электромагнитами машины поднимают и переносят тяжелые чушки, выбирают из куч металлический лом…Почему же в природе мы не встречаем естественных постоянных магнитов и откуда они берутся. Оказывается многие элементы периодической системы Менделеева и их различные сплавы являются потенциальными магнитами, обладающие различной силой магнитных свойств. И становятся они магнитами при воздействии на них разной интенсивности магнитным полем. Эта обширная научная тема, о которой мы расскажем в дальнейшем. Факт тот, что при протекании электрического тока на проводник действует выталкивающая сила (Правило правой руки). В отсутствие тока нет магнитного поля, а сами эти материалы состоят из огромного количества мизерных магнитиков плюсы и минусы которых направлены случайным образом в разные стороны. Таким образом полярности эти материалы не имеют и появляется она только при протекании электрического тока, когда эти микромагниты выстраиваются в едином порядке. И разворачивают материал по правилу правой руки (Сила Ампера) При прекращении подачи тока этот порядок снова нарушается и материал утрачивает свои магнитные свойства.

Для того чтобы создать постоянный магнит нужно 1. Иметь материал с соответствующими магнитными свойствами (ферриты, сплавы…) 2. Механически не позволить материалам перемещаться в пространстве. 3 Подать на материал сильное магнитное поле ( например накопив сильный электрический заряд в батарее конденсаторов). В результате не имея возможности материалу развернутся произойдет необратимый разворот внутренних микромагнитов вещества. Все — мы получили постоянный магнит. Теперь вращая катушку с проводом вокруг двух магнитов с отрицательным и положительным полюсом мы получим генератор постоянного тока, а вращая магнит вокруг неподвижной катушки получим генератор переменного тока

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину — по формуле

E=Blv sin а, (21)

где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу, равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность, затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 — щетки. 2 — контактные кольца, 3 — стальной сердечник; 4 —рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством — коллектором. Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

Что такое Двигатель

Двигатель – самая важная из систем автомобиля. Без двигателя нет движения, а следовательно нет автомобиля. По аналогии со строением человека, двигатель – сердце автомобиля.
В соответствии с предназначением двигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Для того, чтобы получить механическую энергию, в двигателе автомобиля преобразуется другой вид энергии (энергия сгорания топлива, электрическая энергия и др.). Источник энергии при этом должен находиться непосредственно на автомобиле и периодически пополняться.

Передача механической энергии от двигателя на ведущие колеса осуществляется через трансмиссию. Конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название силовая установка.

В зависимости от вида преобразуемой энергии различают следующие основные виды автомобильных двигателей:

двигатели внутреннего сгорания (сокращенное наименование ДВС);
электродвигатели;
комбинированные двигатели, т.н. гибридные силовые установки.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются:

поршневой двигатель;
роторно-поршневой двигатель;
газотурбинный двигатель.

На современных автомобилях наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Автомобиль, использующий в качестве двигателя электродвигатель, называется электромобилем. Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут быть аккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и соответственно низкий запас хода.

Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки.

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30 % энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40 %, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением свыше 50 % (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт*ч, достигая эффективности 54,4 %). Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.
Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — смесь не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Это послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Юнкерс, а также советский тяжелый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А. Д. Чаромского и Т. М. Мелькумова). На максимальной эксплуатационной мощности смесь в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи .
Дизельный двигатель не имеет дроссельной заслонки, регулирование мощности осуществляется регулированием количества впрыскиваемого топлива. Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями.
По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах — это углеводороды (НС или СН) , оксиды (окислы) азота (NOх) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, если они являются старыми и неотрегулированными.
Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более, что в них не используется система зажигания. Вместе с высокой топливной экономичностью это стало причиной широкого применения дизелей на танках, поскольку в повседневной небоевой эксплуатации уменьшался риск возникновения пожара в моторном отделении из-за утечек топлива.

Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартера большой мощности, помутнение и застывание летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Такие загрязнения очень быстро выводят топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своём рабочем диапазоне. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов («катализатор» в просторечии), работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой «Common-rail» системы. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный — и экологически такой же чистый, как и бензиновый — дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров сложности и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар, то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра». «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим очистки «сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы — и так называемого «интеркулера» — то есть устройства, охлаждающего сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.
В своей основе конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако, аналогичные детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к высокому давлениям сжатия, имеющим место у дизеля. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и часто (но не всегда) рассчитаны на повышенную степень сжатия. Кроме того, головки поршней в дизельном двигателе находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Во многих случаях головки поршней содержат в себе камеру сгорания.

WO2012064215A1 — Способ преобразования энергии потока воды и устройство для его реализации — Google Patents

Links

• Espacenet
• Global Dossier
• PatentScope
• Discuss

• 239000011901 water Substances 0.000 title claims abstract description 70
• 230000035939 shock Effects 0.000 claims abstract description 25
• 239000007788 liquids Substances 0.000 claims abstract description 6
• 239000006096 absorbing agents Substances 0.000 claims abstract description 4
• 230000000977 initiatory Effects 0.000 claims abstract description 3
• 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract 5
• 230000000737 periodic Effects 0.000 claims description 8
• 239000002826 coolants Substances 0.000 claims description 5
• 230000001131 transforming Effects 0.000 claims 1
• 239000000969 carriers Substances 0.000 abstract description 4
• 238000006243 chemical reactions Methods 0.000 description 3
• 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
• 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
• 238000010586 diagrams Methods 0.000 description 1
• 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
• 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
• 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
• 238000000034 methods Methods 0.000 description 1
• 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
• 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1

Classifications

• • F — MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
  • F24 — HEATING; RANGES; VENTILATING
  • F24V — COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
  • F24V99/00 — Subject matter not provided for in other main groups of this subclass

Abstract

Description

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к способам использования энергии водных ресурсов для преобразования ее в тепловую, электрическую или механическую энергию привода механизмов.

Практически все способы преобразования энергии потока воды заключаются в том, что поток по водоводу подают к гидротурбине, соединенной с электрогенератором. Смотри, например, патенты [RU ? 157870 С2, Е02В 9/00, 05.03.1996; US 4276482 А, Н02К7/18, 30.06.1981].

Известно также, что преобразование энергии потока воды в тепловую энергию осуществляют с использованием теплогенераторов вращательного, типа. Смотри, например, патент [RU JV° 2235950 С2, F24J3/00, 22.07.2002].

Недостатком аналогов является то, что энергия движущейся воды с использованием традиционных генераторов электрической или тепловой энергии вращательного типа снимается с сечения водного потока там, где генератор установлен, а мощность потока воды в сечении существенно ограничена расходом и напором перед ним, то есть высотой плотины. Строительство плотин оказывается дорогостоящим и зачастую наносит большой экологический ущерб территориям.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является патент [RU 2412302 А, Е02В9/00, 20.03.2009], согласно которому энергия периодически инициированного в водоводе гидравлического удара преобразуется в электрическую энергию при помощи линейных электрогенераторов. Недостатком прототипа является то, что кинетическая энергия всего потока воды в водоводе, согласно техническому решению, преобразуется только в электрическую энергию без утилизации тепловой энергии, которая выделяется при работе линейных электрогенераторов. Тепловая энергия составляет значительную величину от общей подводимой к линейному электрогенератору механической энергии.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание простого и некапиталоёмкого способа преобразования энергии потока воды и устройства для его реализации при минимальном экологическом ущербе для прилегающих территорий с максимально полным преобразованием энергии потока воды в полезную мощность.

Согласно изобретению техническая задача решается тем, что водоводы выполняют с возможностью радиального перемещения отдельных элементов его стенок (мембран). Устанавливают на неподвижных элементах стенок водоводов неподвижные части генераторов энергии, инициируют в водоводах при помощи ударного клапана периодический гидравлический удар, вызывают радиальную пульсацию перемещаемых элементов стенок водоводов (мембран), осуществляют возвратно-поступательный привод подвижных частей генераторов движением перемещаемых элементов стенок водоводов (мембран).

В предложенном способе кинетическая энергия всего объёма жидкости, движущейся с первоначальной скоростью на заданной длине водоводов, за короткий промежуток времени практически полностью преобразуется в механическую работу по перемещению подвижных элементов стенок водоводов (мембран). Исключение составляет незначительная часть кинетической энергии, которая преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации воды и неподвижных элементов стенок водоводов. Затем, механическая работа возвратно- поступательного движения стенок водоводов преобразуется в электрическую и тепловую энергию или только в тепловую в зависимости от вида установленных преобразователей энергии (генераторов).

Для решения технической задачи используется устройство для преобразования энергии потока воды, содержащее водоводы и генераторы энергии, соединенные с водоводами. Устройство снабжено ударными клапанами для инициирования в водоводах периодического гидравлического удара, стенки водоводов выполнены из перемещаемых в радиальном направлении и неподвижных элементов, неподвижные элементы водоводов и неподвижные части генераторов жестко соединены между собой. Перемещаемые в радиальном направлении элементы водоводов, приводимые в движение принудительно инициируемым периодическим гидравлическим ударом, соединены с подвижными частями генераторов энергии с возможностью их совместного возвратно-поступательного движения. Генераторы энергии заключены в теплоизолированные рубашки, через которые прокачивают жидкие теплоносители, снимающие тепловую энергию с генераторов. Генераторы тепловой энергии выполнены в виде гидравлических амортизаторов, производящих при своей работе тепловую энергию. Генераторы электрической и тепловой энергии (когенерация энергии) выполнены в виде линейных электрогенераторов [«Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения» М.Я.Хитерер, И.Е. Овчинников, Санкт-Петербург, КОРОНА-принт, 2008, с.357], которые охлаждают жидкими теплоносителями, а полученная тепловая энергия утилизируется. Генераторы механической энергии выполнены в виде пар подвижных в радиальном направлении и неподвижных элементов стенок водоводов, совершающих при их относительном перемещении механическую работу привода механизмов возвратно-поступательного движения.

Гидроагрегаты, сооружают в виде водоводов, подвижные элементы которых (мембраны) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, прикрепляют к подвижным элементам водоводов (мембранам) подвижные части генераторов энергии, создают в водоводах гидравлический удар с использованием специальных ударных клапанов [Гидравлика. Н.Н. Кременецкий, Д. В. Штеренлихт, В.М. Алышев, Л.В. Яковлева, М., Энергия, 1973, с. 215-217]. Гидроудар приводит к колебаниям давления в водоводах и радиальным перемещениям подвижных элементов водоводов, совершающих механическую работу.

Достигается возможность преобразования энергии потока воды в тепловую и/или электрическую энергию без перекрытия водотоков высокими и массивными плотинами.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема устройства для преобразования энергии потока воды. Стрелкой показано направление течения воды. Гидроагрегат содержит ударный клапан 1, автоматически инициирующий гидравлический удар в подводящем водоводе 2. На теле подводящего водовода 2 установлены генераторы тепловой и/или электрической энергии 3 с теплоизолированными рубашками и приводом в виде подвижных в радиальном направлении элементов стенок водовода (мембран), преобразующих ударные колебания давления, инициируемые в водоводе, в механическую работу возвратно- поступательного движения.

Работает устройство следующим образом: под действием гидродинамического напора воды перед гидроагрегатом, ударный клапан 1 инициирует периодический гидравлический удар в подводящем водоводе 2, который приводит в возвратно-поступательное движение подвижные части генераторов 3. Если гидродинамического напора воды в реке не хватает для инициирования достаточной энергии гидравлического удара в подводящем водоводе, то перед гидроагрегатом устанавливается небольшой водослив для увеличения напора, подводимого к гидроагрегату потока воды.

Как видно, устройство гидроагрегата имеет преимущество перед аналогами и прототипом в том, что оно проще по конструкции и в монтаже. Устройство преобразовывает более полно энергию потока воды в тепловую и электрическую энергию (когенерация), по сравнению с аналогами, при одинаковых значениях напора и расхода воды. Устройство имеет круглогодичный режим эксплуатации, так как может быть установлено и работать под поверхностью льда в водотоке, не требует сооружения высотных и массивных плотин.

Способ преобразования энергии реализуют следующим образом. В водоводе 2 с использованием ударного клапана 1 создают периодический гидравлический удар, который приводит к колебаниям давления в водоводе и радиальным перемещениям отдельных элементов стенок водовода (мембран), приводящих в действие генераторы энергии. После съёма с генераторов преобразованной энергии следует пауза, необходимая для инициирования нового гидравлического удара в водоводе при помощи ударного клапана, и процесс повторяется. Для непрерывного снятия полезной мощности необходимо иметь несколько одинаковых гидроагрегатов, работающих в противофазе, или устанавливать перед генераторами накопители механической энергии.

Использование заявленного технического решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает выработку значительного количества тепловой и электрической энергии (когенерация энергии) при малом расходе и напоре воды перед гидроагрегатами, т.е. без возведения высотных, массивных плотин и при минимальном экологическом ущербе для прилегающих к водотокам территорий.

Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:

Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:

Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;

Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;

Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;

Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;

Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;

Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;

Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.